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Wie Mikroorganismen und Elektroden interagieren

Die Verknüpfung von Elektrochemie und Mikrobiologie ist Forschung mit Anwendungspotenzial: von der Energiegewinnung aus Abwasser bis zur Synthese von Chemikalien. Wichtige Rollen spielen Elektrochemie, Mikrobiologie und Materialwissenschaften. Es gibt verschiedene Arten der Interaktion von Mikroo...

Nährstoffe und Mineralien fließen mit dem Wasserkreislauf bergab und werden letztlich in Sedimenten begraben, wo sie niemandem nützen. Diesem Trend wirken viele größere Tierarten entgegen, die Nährstoffe gegen den Strom und die Schwerkraft transportieren und sie somit weiter verfügbar machen.
Wale bekämpfen den Klimawandel möglicherweise wirkungsvoller als unsereiner. Pottwale zum Beispiel jagen Tintenfische tief unter der Meeresoberfläche, aber zur Toilette gehen sie erst, wenn sie aus der Tiefe wieder aufgetaucht sind. Damit transportieren sie Eisen aus der dünn besiedelten und lichtlosen Tiefe in die von Plankton wimmelnden sonnendurchfluteten Gewässer – dort ist Eisen oft knapp und limitiert die Produktion von Biomasse.Eisendüngung durch Wale oder auch durch mineralhaltige Eisberge, die sich von der Antarktis lösen, führt oft zu einer raschen Algenblüte. Damit wird überproportional viel Kohlendioxid aus der Atmosphäre gebunden, von dem ein signifikanter Teil womöglich aus der Lichtzone herabsinkt und im Sediment landet.Aufgrund dieser Beobachtungen kam die Eisendüngung als möglicher Beitrag ins Gespräch, den Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre zu verringern. An Experimenten im Tonnenmaßstab im Jahr 2009 beteiligten sich das deutsche Forschungsschiff Polarstern und das Alfred-Wegener-Institut.1) Im Gegensatz zu früheren Experimenten in kleinerem Maßstab2) ließ sich in diesem Fall zwar eine Algenblüte ermitteln, aber keine signifikante Kohlenstoff-Sequestrierung. Die Autoren führen das Ausbleiben des gewünschten Effekts auf die Siliciumknappheit zurück. Kieselalgen, die für das Ausmaß der Algenblüte ausschlaggebend sind, benötigen Silicium in großen Mengen. Das Prinzip der großtechnischen Manipulation der Atmosphäre durch solches Geo-Engineering ist bis heute umstritten.Auch wenn das Auskippen industrieller Mengen Eisen vielleicht nicht die beste Lösung des Klimaproblems ist, so gibt das Beispiel der Wale doch einen Einblick in die vielfältigen Regulierungsmechanismen der Natur. Hätten wir die Populationen der großen Meeressäuger nicht um mehrere Größenordnungen dezimiert, bräuchten wir heute vermutlich nicht über künstliche Eisendüngung nachzudenken (Abbildung 1).<figure><img src="https://media.graphcms.com/NS02v8kzQBGupM1xT4Ix"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Laterale Nährstoffverteilungskapazität Phi von Säugetieren auf der Erde: Wie sie gewesen wäre, wenn die Megafauna am Ende von Pleisto- und Holozän nicht ausgestorben oder -gerottet worden wäre (oben, in km2·yr−1), so wie sie derzeit ist (mittig, in km2·yr−1) und als Anteil des ursprünglichen Werts (unten).3)</figcaption></figure>
Der Eisentransport der Wale hilft nicht nur dem Klima, wie neuere Untersuchungen zeigen. Er ist auch Teil eines weltweiten Transportnetzes, das Nährstoffe von den Tiefen der Ozeane bis auf das Festland und in die Berge pumpt.Christopher Doughty von der Universität Oxford und Kollegen haben die Beiträge verschiedener Transportprozesse zur globalen Pumpe abgeschätzt und zu einem mathematischen Modell des Gesamtsystems vereinigt.3) Die Forscher konstatieren, dass Wale sowohl durch horizontalen wie auch durch vertikalen Transport zur Nährstoffverteilung beitragen. Insbesondere den vertikalen Transport schädigte allerdings der Walfang im 19. und 20. Jahrhundert. Zum Beispiel bringen Walarten, die tiefer als 100 Meter tauchen, Phosphor an die Oberfläche. Durch deren Dezimierung verringerte sich die Menge an Phosphor um den Faktor 4,5 von 340 000 Tonnen auf 75 000 Tonnen pro Jahr.<h2>Aus dem Meer ans Land</h2>Flüsse schwemmen Nährstoffe von den Kontinenten in die Meere. Den Transport in entgegengesetzter Richtung erledigen vor allem zwei große Gruppen von Tieren: die Seevögel und die Wanderfische.Dass Seevögel wertvolle Düngemittel an Land bringen, ist seit Mitte des 19. Jahrhunderts allgemein bekannt, als Guano aus Südamerika zur begehrten Handelsware wurde. Allerdings schätzen Doughty und Mitarbeiter, dass die Vögel nur ein Fünftel ihrer Exkremente an Land bringen – das entspricht etwa 6300 Tonnen Phosphor pro Jahr. Der Guano-Boom des 19. Jahrhunderts beruhte vor allem auf dem Abbau von Vorräten, die sich auf trockenen Felseninseln über Jahrzehnte angereichert hatten. Für eine kontinuierliche, nachhaltige Düngemittelversorgung kommen die Vögel hingegen höchstens in regionalem Maßstab infrage.Einen größeren Beitrag könnten Wanderfische leisten, die wie der Lachs aus dem Meer flussaufwärts wandern, um dort zu laichen und oft auch zu sterben. Die Jungtiere zieht es zum Meer, weil sie dort reichhaltigere Nahrung finden. Nach Analysen von 110 Fischarten, die einen solchen Lebenszyklus aufweisen, kommen Doughty et al. zu dem Schluss, dass diese in vorindustrieller Zeit etwa 140 000 Tonnen Phosphor pro Jahr aus den Ozeanen ans Land zurückbrachten. Allerdings sind heute von dieser Transportleistung nur noch 4 % übrig, also zirka 5600 Tonnen pro Jahr – nicht mehr, als die Seevögel fallen lassen.Damit hat den Spitzenplatz für den größten Nährstofftransport aus den Ozeanen nun die Fischereiindustrie. Sie bringt jährlich 100 Millionen Tonnen Fisch an Land und leistet damit ihren Beitrag zur Nährstoffpumpe – obwohl ihre Praktiken nicht immer als umweltfreundlich und nachhaltig gelten.<h2>Große Tiere bewegen viel</h2>Auf dem Festland sind Nährstoffe noch ungleichmäßiger verteilt als in den Meeren. Und selbst dort, wo die Nährstoffe reichhaltig vorhanden sind, besteht die Gefahr, dass sie weggeschwemmt werden und im Meer landen. Nährstoffe zu verteilen und gegen die Strömungsrichtung des Wasserkreislaufs zu transportieren, sind deshalb wichtige Ökosystem-Dienstleistungen. Doughty und Mitarbeiter zeigten bereits in zwei früheren Studien, dass große Tiere – Megafauna, definiert als Tiere mit mehr als 44 kg Körpergewicht – einen überproportional großen Beitrag zu diesen Prozessen leisten,4,5) einfach deshalb, weil sie größere Strecken zurücklegen und oft größere Reviere in Anspruch nehmen.Im Pleistozän – also die etwa 2,5 Millionen Jahre bis zum Beginn des Holozän vor etwa 11 000 Jahren – war die Megafauna vorherrschend. Heute sind die meisten Großwildarten auf allen Kontinenten außer Afrika ausgestorben. Die plausibelste Erklärung für diese Ausnahmestellung Afrikas ist die, dass das dortige Großwild miterlebte, wie sich die Menschen zu effizienten Jägern entwickelten, und sich darauf einstellte. Die Megafauna anderer Kontinente wurde vom Einfall der zweibeinigen Jäger überrascht und fiel ihm zum Opfer.Der Wegfall der terrestrischen Megafauna seit dem Pleistozän reduzierte die Nährstofftransporte. Im Einzugsgebiet des Amazonas fehlt zum Beispiel Phosphor in den höheren Lagen. Selbst Sibirien war eine fruchtbarere Landschaft als heute, solange dort das Wollhaarmammut noch seinen Dung absetzte.Ganz abgesehen von ihrer Rolle als Düngemittelverteiler dienten die Rüsseltiere (Proboscidea) des Pleistozän auch als wirksame Ökosystem-Gestalter, welche die Vegetation im Zaum hielten. Von den urzeitlichen Rüsseltieren haben nur die Elefanten bis in die Gegenwart überlebt. Wie Anthony Barnosky von der University of California in Berkeley und Kollegen berichten, führte das Aussterben der Rüsseltiere zu gravierenden Veränderungen der Ökosysteme in verschiedenen Regionen Nordamerikas.6)Doughty et al. schätzen, dass im globalen Mittelwert die Transportkapazität der Landlebewesen seit dem Pleistozän um 92 Prozent gesunken ist. Nur wenige Schutzgebiete in Afrika sind von diesem Verlust verschont geblieben. In Südamerika ist der Verlust hingegen noch dramatischer – dort gingen mit dem Aussterben großer Pflanzenfresser 99 Prozent des im Pleistozän vorhandenen Nährstofftransports verloren.Die Forscher verknüpfen ihre Berechnungen zu einem Modell einer globalen Nährstoffpumpe, die im Pleistozän den Naturdünger aus den Tiefen der Ozeane bis auf die Hügel und Berge der Kontinente beförderte und damit dem Verlust durch Erosion und Sedimentation entgegenwirkte. Heute leistet diese Pumpe nur noch 6 Prozent (Abbildung 2).<figure><img src="https://media.graphcms.com/yM0divm9SKSpcdKQi6CJ"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Potenzielle Route von Nährstofftransporten auf der Erde in der Vergangenheit. Rote Pfeile zeigen die geschätzte Durchflussmenge oder Diffusionskapazitäten von Nährstoffen. Tiere in grau stehen für ausgestorbene Spezies oder solche mit dezimierter Populationsdichte.3)</figcaption></figure>
<h2>Mammuts statt Rinder</h2>Die neue Art Megafauna – nämlich die Rinder und Schweine, die rund um die Welt in großer Zahl gehalten werden – bringt möglicherweise mehr auf die Waage als die ausgestorbenen Arten des Pleistozän.Allerdings können unsere Rinder und Schweine nicht die verloren gegangenen Ökosystem-Dienstleistungen ersetzen. Das geht schon deshalb nicht, weil sie in der Regel eingesperrt sind und somit für den Nährstofftransport ausfallen. Würden sie großflächig im Freiland gehalten, etwa wie die in europäischen Waldgebieten wieder eingeführten Wisente, könnten sie vielleicht einen Beitrag leisten.Manche Wissenschaftler, wie der Genetik-Vordenker George Church von der Universität Harvard, denken bereits darüber nach, der Erde ihre Rüsseltiere wiederzugeben. Da die Genomsequenz des Mammuts bekannt ist7) und sich die spezifischen Anpassungen an das sibirische Klima daraus ablesen lassen, könnte man mit der Genbearbeitungsmethode Crispr-Cas kälteresistente Elefanten züchten, die Sibirien wieder bevölkern und düngen.Michael Groß ist freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. <a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a><h2>Quergelesen</h2>Wale bringen Nährstoffe wie Eisen und Phosphor an die Wasseroberfläche. Eine solche Nährstoffpumpe versorgt auch Landbewohner.Das Aussterben vieler großer Tierarten, nachdem die Menschen sich über alle Kontinente ausbreiteten, hat die Kapazität der Nährstoffpumpe stark reduziert.Auch Seevögel und Fische bringen Nährstoffe an Land. Die größten Mengen liefert aber die Fischindustrie.Rinder und Schweine könnten – in unüblicher Freiheit – ebenso zum Nährstofftransport gegen den Strom beitragen.
<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 P. Martin, M. R. van der Loeff, N. Cassar et al., Global Biogeochem. Cy. 2013, 27, 1–11.</li><li>
2 V. Smetacek, C. Klaas, V. H. Strass et al., Nature 2012, 487, 313–319.</li><li>
3 C. E. Doughty, J. Roman, S. Faurby et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2015, 113, 868–873.</li><li>
4 C. E. Doughty, A. Wolf, Y. Malhi, Nat. Geosci. 2013, 6, 761–764.</li><li>
5 A. Wolf, C. E. Doughty, Y. Malhi, PLoS One 2013, 8, e71352.</li><li>
6 A. D. Barnosky, E. L. Lindsey, N. A. Villavicencio et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2015, 113, 856–861.</li><li>
7 M. Groß, Nachr. Chem. 2009, 57, 119.</li></ul>

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